package com.zzg.algorithm.kruskal;

import com.zzg.algorithm.kruskal.entity.EData;

import java.util.Arrays;

/**
 * @Author zhengzg
 * @Date 2022-10-10
 * @Version v1.0
 * 克鲁斯卡尔算法：公交站问题
 * 1) 有北京有新增 7 个站点(A, B, C, D, E, F, G) ，现在需要修路把 7 个站点连通
 * 2) 各个站点的距离用边线表示(权) ，比如 A – B 距离 12 公里
 * 3) 问：如何修路保证各个站点都能连通，并且总的修建公路总里程最短?
 */
public class KruskalCase {

    // 边的个数
    private int edgeNum;
    // 顶点数组
    private char[] vertexs;
    // 邻接矩阵
    private int[][] matrix;
    // 表示两个点不能连通
    private static final int INF = Integer.MAX_VALUE;

    public static void main(String[] args) {
        char[] vertexs = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G'};
        // 邻接矩阵
        int[][] matrix = {
                {0, 12, INF, INF, INF, 16, 14},
                {12, 0, 10, INF, INF, 7, INF},
                {INF, 10, 0, 3, 5, 6, INF},
                {INF, INF, 3, 0, 4, INF, INF},
                {INF, INF, 5, 4, 0, 2, 8},
                {16, 7, 6, INF, 2, 0, 9},
                {14, INF, INF, INF, 8, 9, 0}};

        KruskalCase kruskalCase = new KruskalCase(vertexs, matrix);
        kruskalCase.print();
        kruskalCase.kruskal();
    }

    public KruskalCase(char[] vertexs, int[][] matrix) {
        // 初始化顶点数和边的个数
        int vlen = vertexs.length;
        // 初始化
        this.vertexs = vertexs;
        this.matrix = matrix;
        // 统计边的条数
        for (int i = 0; i < vlen; i++) {
            // 注意不要j=0，不统计null值
            for (int j = i + 1; j < vlen; j++) {
                if (this.matrix[i][j] != INF) {
                    edgeNum++;
                }
            }
        }
    }

    // 克鲁斯卡尔算法
    public void kruskal() {
        // 表示最后结果数组的索引
        int index = 0;
        // 保存最小生成树中每个顶点在最小生成树中的终点
        int[] ends = new int[edgeNum];
        // 创建结果数组，保存最后的最小生成树
        EData[] rets = new EData[edgeNum];

        // 获取边的集合
        EData[] edges = getEdges();
        System.out.println("图的边的集合=" + Arrays.toString(edges) + "共" + edges.length);
        // 按照权值大小进行排序
        sortEdges(edges);
        // 遍历edges数组，将边添加都最小生成树中，判断是准备加入的边是否形成回路，如果没有，就加入rets，否则不能加入
        for (int i = 0; i < edgeNum; i++) {
            // 获取到第 i 条边的第一个顶点(起点)
            int p1 = getPosition(edges[i].start);
            // 获取到第 i 条边的终点
            int p2 = getPosition(edges[i].end);

            // 获取p1这个顶点在已有最小生成树中的终点
            int m = getEnd(ends, p1);
            int n = getEnd(ends, p2);
            // 判断是否构成回路
            if (m != n) {
                // 将终点的值设置到ends数组中
                ends[m] = n;
                // 将一条边加入
                rets[index++] = edges[i];
            }
        }
        System.out.println("最小生成树");
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            System.out.println(rets[i]);
        }
    }

    // 打印邻接矩阵
    public void print() {
        System.out.println("邻接矩阵为：\n");
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            for (int j = 0; j < vertexs.length; j++) {
                System.out.printf("%12d", matrix[i][j]);
            }
            System.out.println();
        }
    }

    /**
     * 对边进行排序处理，冒泡排序
     *
     * @param edges 边的集合
     */
    public void sortEdges(EData[] edges) {
        //EData tmp = null;
        for (int i = 0; i < edges.length - 1; i++) {
            for (int j = 0; j < edges.length - 1 - i; j++) {
                if (edges[j].weight > edges[j + 1].weight) {
                    EData tmp = edges[j];
                    edges[j] = edges[j + 1];
                    edges[j + 1] = tmp;
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 获取顶点对应的下标
     *
     * @param ch 顶点的值 例如：'A' 'B'
     * @return 返回ch顶点对应的下标，如果找不到返回-1
     */
    private int getPosition(char ch) {
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            if (vertexs[i] == ch) {
                return i;
            }
        }
        // 找不到
        return -1;
    }

    /**
     * 获取图中边，放到EData数组中
     *
     * @return
     */
    private EData[] getEdges() {
        int index = 0;
        EData[] edges = new EData[edgeNum];
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            for (int j = i + 1; j < vertexs.length; j++) {
                if (matrix[i][j] != INF) {
                    edges[index++] = new EData(vertexs[i], vertexs[j], matrix[i][j]);
                }
            }
        }
        return edges;
    }

    /**
     * 获取下标i的顶点的终点，用于后面判断两个顶点的终点是否相同
     *
     * @param ends 数组就是记录各个顶点对应的终点是哪个，ends数组是在遍历过程中，逐渐变化的
     * @param i    表示传入的顶点对应的下标
     * @return 下标为i的这个顶点对应的终点的下标
     * 例如：cd边已经录入，de也已经录入，ef也已经录入，此时数组会变成如下情况
     * [0,0,3,4,5,0,0,0,0,0,0,0]
     * 此时找到权值最小的ce，先把c顶点的下边传入
     * while判断c的位置是3 ！= 0 所以开始循环 i被赋值知道5
     * 此时end[5] = 0 退出循环得到值i = 5
     */
    private int getEnd(int[] ends, int i) {
        while (ends[i] != 0) {
            i = ends[i];
        }
        return i;
    }
}
